JP6547957B2 - エアコンプレッサー装置 - Google Patents

Description

本発明は、エアコンプレッサー装置に関する。

従来、燃料ガスである水素と酸化剤ガスである空気中の酸素とを化学反応させて発電を行う燃料電池（以下、ＦＣとも称する）を電源装置として搭載した燃料電池自動車が提案されている。

燃料電池に供給される空気は、車載のエアコンプレッサー（以下、ＡＣＰとも称する）によって外気から取り込まれて圧送される。エアコンプレッサーは、その駆動源として内蔵したモータが燃料電池の運転状態に応じて回転数制御されることで、燃料電池に供給される空気量が調整されるようになっている。

ところで、燃料電池とエアコンプレッサーは、通常離れており、要求発電量の上昇に伴って、エアコンプレッサーの回転数を高めたとしても、エアコンプレッサーと燃料電池との間で反応ガス（空気）が圧縮されてしまうので、反応ガスがエアコンプレッサーから燃料電池に到達するまでに遅れてしまう。この遅れを考慮して発電電流を制御する技術が下記特許文献１で提案されている。

特開２００９−２７７４５６号公報

ドライバビリティを考慮して上述した空気供給遅れを無くすために、要求されたエアコンプレッサーの回転数と現在の回転数との差が所定値以上の場合（言い換えれば、回転数指令が急変する場合）に、エアコンプレッサーの回転数の変化度合を性能の最大値（例えばエアコンプレッサーが最速で応答する制御）とすることが考えられる。しかし、例えば間欠運転明け時の緩負荷においても回転数指令の変化に対して性能の最大値でエアコンプレッサーを運転してしまうと、エアコンプレッサーでの消費電力が大きくなってしまい、燃費が悪化する。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ドライバビリティと燃費の両立を図ることができるエアコンプレッサー装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係るエアコンプレッサー装置は、要求電力を前記燃料電池から出力するために必要な空気供給量を供給するためのエアコンプレッサーの要求回転数と前記エアコンプレッサーの現在の回転数との差、及び前記燃料電池に対するパワー要求値に基づいて、前記エアコンプレッサーのトルク指令値及び回転数を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記差が所定値以上、且つ、前記パワー要求値が所定値以上の場合に、第１加速トルクに基づいて前記エアコンプレッサーの回転数を上昇させ、前記差が所定値以上、且つ、前記パワー要求値が所定値未満の場合に、前記第１加速トルクよりも小さい第２加速トルクにより前記エアコンプレッサーの回転数を上昇させる。

かかる構成によれば、エアコンプレッサーの要求回転数とエアコンプレッサーの現在の回転数との差のみではなく、燃料電池に対するパワー要求値の大小も考慮して、要求トルクが小さい場合には、燃費向上を狙い加速トルクを制限して要求回転数に到達するのを遅らせる。このように、燃料電池に対するパワー要求値が所定値以下の場合（例えば間欠運転明け時の緩負荷走行時等）ではエアコンプレッサーの最速応答性は必要ないため、このような場合に加速トルクを制限することによって、エアコンプレッサーの消費電力を抑えている。これにより、燃費とドライバビリティの両立を図ることができる。なお、間欠運転とは、燃料電池システムに要求される出力が所定の閾値以下である場合に、燃料電池における発電を一時的に休止して二次電池から負荷への電力供給を行う運転をいう。

本発明によれば、ドライバビリティと燃費の両立を図ることができるエアコンプレッサー装置を提供することができる。

燃料電池と酸化ガス供給排出系の一例を示す説明図である。 間欠運転明け時に回転数指令が増大したときのエアコンプレッサーの回転数とエアコンプレッサーのトルク指令とエアコンプレッサーの損失とを示すグラフである。 エアコンプレッサーの損失特性を示すグラフである。

以下添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

図１は、燃料電池と酸化ガス供給排出系の一例を示す説明図である。燃料電池システムは、図１に示す酸化ガス供給排出系の他に燃料ガスの供給排出系及び冷却系を備え、図示しない燃料電池車両に搭載されるが、本明細書では、酸化ガス供給排出系についてのみ説明し、燃料ガスの供給排出系、冷却系については説明を省略する。

酸化ガス供給排出系３００は、酸化剤ガス供給管３１０と、酸化剤排ガス排出管３２０と、バイパス管３３０と、分流弁３４０と、調圧弁３５０と、エアコンプレッサー３６０と、回転数センサ３７０と、を備える。

酸化剤ガス供給管３１０は、燃料電池１００に酸化剤ガスを供給するための管であり、酸化剤排ガス排出管３２０は、燃料電池１００からの酸化剤排ガスを排出するための管である。バイパス管３３０は、酸化剤ガス供給管３１０と、酸化剤排ガス排出管３２０とを接続している。酸化剤ガス供給管３１０とバイパス管３３０との接続部には、分流弁３４０が設けられている。分流弁３４０は、酸化剤ガスを、燃料電池１００に供給する酸化剤ガスとバイパス管３３０に流す酸化剤ガスとに分流する。調圧弁３５０は、燃料電池１００における酸化剤ガスの圧力を調圧する。本実施形態では、酸化剤ガスとして、空気を用いている。エアコンプレッサー３６０は、空気を圧縮し、酸化剤ガス供給管３１０を介して燃料電池１００に酸化剤ガスとして空気を供給する。制御部２００は、例えば、エアコンプレッサー３６０の回転数指令値を算出したり、エアコンプレッサー３６０のトルク指令値を算出したりする。制御部２００の動作例の詳細は後述する。なお、本発明におけるエアコンプレッサー装置は、エアコンプレッサー３６０と、制御部２００とを備える。

続いて、図２を参照して、制御部２００によるエアコンプレッサー３６０の動作例を説明する。図２は、エアコンプレッサー３６０の動作例を説明するためのタイムチャートである。

例えば間欠運転明け時（時刻ｔ１）において、アクセルペダル（図示略）が踏み込まれると、その踏み込み量（アクセル開度）に応じて、燃料電池１００に対する要求電力が増加する。

制御部２００は、要求電力を燃料電池１００から出力させるために燃料電池１００に供給すべき空気の流量を算出し、この流量の空気を供給するために必要なエアコンプレッサー３６０の回転数指令値を算出する。そして、制御部２００は、エアコンプレッサー３６０に対する回転数指令値と、回転数センサ３７０により取得された現在の回転数とを用いて、エアコンプレッサー３６０に対するトルク指令値（加速トルク）を算出する。

ところで、アクセル開度に基づく要求電力の増加、回転数指令値の増加に応じてトルク指令値を増加させる場合には、燃料電池１００の応答性確保のために、エアコンプレッサー３６０を最速で応答させて燃料電池１００への空気供給を早める必要がある。つまり、回転数指令値の変化に応じて、空気が応答性良く燃料電池１００に供給されるようにエアコンプレッサー３６０を制御する必要がある。

ところが、このようにエアコンプレッサー３６０が最速で応答するような制御（性能の最大値で運転する制御）を実施すると、燃料電池１００に対するパワー要求の少ない状態、例えば低速での間欠運転明け時においても、エアコンプレッサー３６０を最速で応答することとなり、エアコンプレッサーでの消費電力の損失（ＡＣＰ損失）が大きくなってしまう。例えば図２に示すように、間欠運転明けから、時刻ｔ２において所定の回転数に到達するように、エアコンプレッサー３６０を最速で応答する制御を行うと（図２に破線で示す回転数Ｒ_C、トルク指令Ｔ_C）、時刻ｔ１〜ｔ２におけるＡＣＰ損失が大きくなってしまう（図２に破線で示すＥ_C）。なお、図３（エアコンプレッサーの損失特性）に示すように、エアコンプレッサー３６０の回転数、トルクが高いほど、エアコンプレッサー３６０での消費電力の損失が大きくなる。

そこで、本実施形態では、燃料電池１００に対するパワー要求が所定値以下の場合には、応答性より燃費を優先するように、エアコンプレッサー３６０の加速トルクを制御する。

具体的には制御部２００は、以下のようにエアコンプレッサー３６０を制御する。すなわち、要求電力を燃料電池１００から出力するために必要な空気供給量を供給するためのエアコンプレッサー３６０の要求回転数と、エアコンプレッサー３６０の現在の回転数との差が所定値以上であり、且つ、燃料電池１００に対するパワー要求値が所定値以上の場合には、制御部２００は、第１加速トルクに基づいてエアコンプレッサー３６０の回転数を上昇させる。更に、アクセル開度に基づく要求電力を燃料電池１００から出力するために必要な空気供給量を供給するためのエアコンプレッサー３６０の要求回転数と、エアコンプレッサー３６０の現在の回転数との差が所定値以上であり、且つ、燃料電池１００に対するパワー要求値が所定値未満の場合には、第１加速トルクより低い第２加速トルク（図２で実線で示すトルク指令Ｔ_P）に基づいてエアコンプレッサー３６０の回転数を上昇させる。

このように、燃料電池１００に対するパワー要求値が所定値未満の場合には、燃費向上を狙い、所定の回転数に到達するのを遅らせることで（図２の実線で示す回転数Ｒ_Pのように、時刻ｔ３で所定の回転数に到達させる）、ＡＣＰ損失を抑えることができる（図２の実線で示すＥ_P）。これにより、必要な燃料電池１００の発電応答速度を確保しながら燃費を向上させる、言い換えれば、ドライバビリティと燃費の両立を図ることができる。

また本実施形態では、エアブロー等の発電以外の用途によって回転数指令が急変した場合に、加速トルクを制限しても良い。詳細には、エアブロー等の発電以外の用途において、エアコンプレッサー３６０に対する回転数指令が急変した場合に、制御部２００は、上述した第１加速トルクよりも低い第２加速トルクに基づいてエアコンプレッサー３６０の回転数を上昇させる。エアブロー等の発電以外の用途による機能に、エアコンプレッサー３６０の最速応答性は必要ないため、このような用途においても加速トルクを制御することにより、機能性を確保しつつ燃費を向上させることができる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。

１００：燃料電池
２００：制御部
３００：酸化ガス供給排出系
３１０：酸化剤ガス供給管
３２０：酸化剤排ガス排出管
３６０：エアコンプレッサー
３７０：回転数センサ

Claims (1)

1. 燃料電池システムに用いられるエアコンプレッサー装置であって、
   要求電力を燃料電池から出力するために必要な空気供給量を供給するためのエアコンプレッサーの要求回転数と前記エアコンプレッサーの現在の回転数との差、及び前記燃料電池の運転状態が間欠運転明けであるか否かの判定結果に基づいて、前記エアコンプレッサーのトルク指令値及び回転数を制御する制御部を備え、
   前記制御部は、
   前記差が所定値以上、且つ、前記燃料電池の運転状態が間欠運転明けでないと判定された場合に、第１加速トルクに基づいて前記エアコンプレッサーの回転数を上昇させ、
   前記差が所定値以上、且つ、前記燃料電池の運転状態が間欠運転明けであると判定された場合に、前記第１加速トルクよりも小さい第２加速トルクにより前記エアコンプレッサーの回転数を上昇させて前記要求回転数に到達する時間を遅延させることを特徴とするエアコンプレッサー装置。